城市能源变革下的城市智慧能源系统顶层设计研究

摘要：当前中国城市智慧能源系统建设还存在建设内容不明、框架不清、与城市规划建设脱节等系列问题，亟需明确城市智慧能源系统顶层架构。在系统梳理世界主要国家城市智慧能源系统建设情况的基础上，分析了其可供借鉴的建设经验，描绘了中国城市智慧能源系统的总体图景，重点从建设条件、整体规划、综合服务平台、政策机制等方面对城市智慧能源系统的顶层设计进行了初步探讨，并对城市智慧能源系统的发展路径进行了展望，对未来能源互联网和城市智慧能源系统的规划、建设、运行等提供参考。

关键词：城市能源变革 城市智慧能源系统 综合服务平台 顶层设计

引言

能源互联网是解决当前能源系统问题、推动能源系统变革的智慧综合能源系统，对提高可再生能源比重、促进化石能源清洁高效利用、提升能源综合效率具有重要意义[1-2]。城市是能源变革的主战场，汇聚了全球50%人口的城市地区创造了80%的全球GDP、消费了75%的全球自然资源和80%的能源供应，产生了约75%的全球碳排放[3]。

从世界范围内来看，智慧城市发展存在多方面的探索，但就能源角度来看，基本都停留在智慧能源城市即“新能源”城市的认识层面，更深入的城市智慧能源系统研究与设计基本处于空白。从国内来看，中国智慧城市建设偏重城市的信息化升级，而忽略了作为城市发展核心基础的能源子系统的规划建设，同时也缺少从城市整体角度去综合考虑城市能源系统的发展视角。从城市智慧能源系统建设推进细节来看，整体架构、信息化平台、新业态新模式等关键要素及各要素间关系尚不明确，一定程度上阻碍了能源互联网和城市智慧能源系统的建设推进。本文尝试对能源变革下城市智慧能源系统的整体概貌和关键要素进行分析展望，以期对未来城市智慧能源系统建设、升级、改造提供参考。

1 城市能源变革国际经验与启示

从世界范围内来看，欧美等发达经济体在城市能源变革方面进行了初步探索，重点解决城市能源系统自身发展，能源系统与生态环境之间、能源系统与城市升级之间协调发展存在的系列问题(见表1)。

结合国际经验和中国发展实际，推进城市能源变革应当从八方面着手。一是加强能源、生态环境与城市协同发展。将能源规划、生态环境规划充分纳入城市发展规划当中，以统一发展视角确立城市发展的目标、模式、路径等。二是重视能源系统顶层规划与设计，实现有序发展。通过专业资源评估、规划等形成科学发展基础，引导可再生能源资源有序开发，推进源-网-荷-储协调发展。三是加快能源体制改革，促进互补增效。通过推行PPP、混合所有制等方式，打破能源系统条块分割局面，以多能互补促进综合能效提升。四是积极发挥市场的高效配置作用，降低需求波动并提升灵活性资源利用水平。建立多层次能源市场，通过灵活的价格实现需求侧高效管理、有效引导灵活性资源参与系统调节;建立污染权/碳交易市场，实现生态环境约束下的经济高效发展。五是以电为核心、电网为平台，促进可再生能源开发利用和经济高质量发展。通过科技、管理、业态等创新，提升电网对可再生能源广泛、高效配置能力;以电气化增强终端能源的能量密度和稳定性，支撑经济持续增长。六是重视信息基础设施建设，将综合能源服务平台作为城市能源系统的重要建设内容。通过加强能源数据的采集、分析和共享，打通各方参与通道，共同提升能源服务水平。七是推行多样化管理模式，破除发展惯性。以政策法律为保障，形成合理发展预期;以财税、价格等经济激励手段打破发展惯性，加速能源转型;建立和实行强制性/自愿性能效标准，挖掘各方优化潜力。八是创新合作模式，建立能源产业大生态。以政府或龙头企业为核心，依托“双创”战略，推进政产学研金深度合作，促进技术、业态等创新。

2 城市智慧能源系统顶层设计

2.1 总体图景描述

(1)以“两个替代”实现城市能源绿色化和高效化发展。源端清洁替代，以城市分布式可再生能源就地开发及远距离大规模可再生能源输入为主，以天然气、地热、生物质等其他能源形式开发为辅，清洁能源逐步替代其他能源形式;用端电能替代，以电代油、以电代煤，电能逐步替代其他能源形式。

(2)能源系统各类元素深度融合互动，以微网形式实现能源按需转换和多能协调互补。结合区域能源资源及能源需求情况，将分布式可再生能源发电/制热、小型冷热电三联供、小型地热、燃料电池、P2G、储热/储冷/储气/储电、智能家居、智能建筑、充电桩等各要素有机结合，形成微网并统一控制，实现网内电、气、热、冷等多种能源形式间的按需转换和协调互济。

(3)跨领域技术深度集成融合。在多能协同领域，重点开展能源路由器、虚拟发电厂、基于新理论和新材料的储能及可再生能源发电技术、多能流能量管理、柔性直流、交直流混联等技术研究;在物理信息融合领域，重点开展NB-IoT、LoRa等低功耗低成本物联网技术、SDN网络、确定性网络等网络安全技术、智能传感等技术研究;在系统运营领域，重点开展人工智能、机器人、大云物移、多能交易、区块链等技术研究。

(4)依托已有电网设施，建立与城市其他子系统间的紧密联系，实现能源调度、数据共享、能源交易、应用接口、集中展示等功能。升级电网已有设施，实现数据采集源网荷储全覆盖和安全可靠传输，基于海量数据资源池实现数据共享、集中展示功能，通过人工智能和大数据分析，实现能源优化调度。

(5)以用户为中心，激发新业态、新模式、新应用，形成城市能源商业生态系统。以市场为导向、客户为中心，广聚参与主体，开展商业模式创新，形成涵盖能源生产、输送、交易、利用全链条，包含系统优化与运维、综合解决方案提供、数据管理、应用开发、金融服务等关键业态的城市能源商业生态系统。

2.2 关键要素顶层设计

2.2.1 从支撑城市治理角度选取能源系统关键要素

城市智慧能源系统的一个重要功能是有效支撑城市治理，推动城市健康快速发展。因此，城市智慧能源系统的关键要素选取要以解决当前及未来城市存在的一系列问题为根本出发点。例如城市的发展面临能源短缺、环境污染、交通拥堵、应急迟缓等一系列问题，城市智慧能源系统就应强化分布式清洁能源开发利用、能量分布式存储、智能交通、联防监控等功能。城市能源系统关键要素选取如图1所示。

图 1 城市能源系统关键要素选取示意

Fig. 1 Schematic diagram of key elements ion of urban energy system

2.2.2 建设条件分析

不同的城市在建设城市智慧能源系统前，应明确城市的建设基础和建设条件：一是明确当前城市能源系统发展现状，包括对城市供能的能源骨干网传输能力，能源品种、规模、供应方式，本地资源开发及区外供应潜力，用户用能品种比例、规模、特征;二是明确城市其他系统发展情况，智慧城市各子系统功能升级需求，能源系统与其他系统的融合程度;三是分析城市特点，包括居民生产生活方式、环保理念、文化特点等。

2.2.3 城市级综合能源规划要点

(1)“多能互补、源网荷储协调”的智慧能源系统规划中，在追求经济性基础上，需把握4点。①最大化利用城市内外部清洁能源。在能源供应环节，统筹考虑本市能源资源条件与可通过大电网等渠道获取的外部资源，优化平衡内外部资源搭配，以最大限度利用清洁能源。②以电为核心设计跨系统耦合优化。推动以电为核心，热、气等能源系统协同优化，科学规划热电联产、热泵、燃气三联供等多能耦合环节的规模和布局。③以高效替代、再电气化等理念分析各能源品类终端需求。④以获得必要灵活裕度为目标合理配置能源的多元存储，提高综合能源系统灵活性，促进清洁能源消纳。

(2)鉴于微能网等分散自治元素是城市智慧能源系统的基础组成部分，但又属于多元市场主体自发行为，难以统一规划建设，因此要把握好大系统与小元素的关系。①保障大系统能够支持分散自治元素大量接入、即插即用。建设新型配电网以支持分布式电源与V2G等可能产生的局部双向潮流，改造燃气管网以保障三联供机组实时用气需求，推动信息系统与能源系统深度融合以提高多元主体实时交互能力。②把控分散自治元素接入对大系统的影响。避免大量分散自治元素接入对大系统安全稳定运行产生不利影响，例如规范分布式新能源发电涉网性能标准，要求微能网配备足够储能，避免将剧烈波动传导到大系统等。③规划中充分发挥分散主动元素参与大系统运行的潜力。充分考虑分布式发电、储能、电动汽车、需求响应等参与大系统调度运行的方式，在计及其参与系统电力平衡、调峰调频、备用等方面潜力与促进清洁能源消纳作用的条件下进行城市综合智慧能源系统规划。

(3)城市智慧能源系统中，实现能源系统与外部的深度融合，需要重点把握如下一体化规划要点。①物理信息一体化：物理信息融合是城市智慧能源系统智慧化的基础，能源装置与信息采集设备的融合标准、能源网络与信息网络的协同设计是物理信息一体化的关键。②能源交通一体化：能源系统和交通系统是城市的关键子系统，充电桩布局、电动汽车充放电量控制和交通流量控制之间的匹配是能源交通一体化规划的核心。③城市地下廊道一体化：城市土地稀缺，管网建设投资大，进行电、气、冷、热管网布局综合规划是管廊一体化规划的核心。

2.2.4 综合服务平台顶层设计

城市能源综合服务平台是集系统调控、市政协调、市场交易、数据共享、应用接口等功能为一身的综合体，是城市智慧能源系统的大脑，也是其“智慧”的根本所在[9]。城市能源综合服务平台一方面要保证城市能源系统自身的安全、高效、稳定运行和开放的能源交易，另一方面也需要与城市其他子系统进行协调互动，形成城市功能的有机体。同时，需要通过数据开放共享的方式吸引、激励相关机构参与城市能源互联网的建设并催生新业态、新应用。此外，要实现能源系统中多主体间的能源交易。长远来看，平台还将具有能源应用的植入接口和仓储功能，实现微能网和用户层面应用的加载使用[10]。

(1)打造区域内优先级最高的多能统一的能源系统调控子平台。能源系统调控子平台的主要功能是实现多能统一调度。通过建立网络波动性和随机性的平抑策略和风险控制策略，充分考虑集群性负荷响应特性和多能之间的转换替代，发挥储能在平衡能源时空差异方面的作用进行多能统一调控。同时，为了保证整个城市能源系统的安全统一调度，能源系统调控子平台的调度优先级高于能源配网各能源品种自身的调度。能源调控子平台示意如图2所示。

图 2 能源调控子平台示意

Fig. 2 Schematic diagram of the energy control sub-platform

(2)打造以用户为中心，以电动汽车等新业态为市场关键元素的能源交易子平台。能源交易子平台主要提供多样化的能源交易方式，可以满足用户和企业的多元化的能源交易需求，如B2C的互动交易和价格套餐、B2B的双边合约、集中撮合、标准合约、电子拍卖等[11]。能源交易协议生效与调控指令生成联动，满足多主体间多能源品种的高效交易。能源交易子平台示意如图3所示。

图 3 能源交易子平台示意

Fig. 3 Schematic diagram of the energy trading sub-platform

(3)围绕智慧能源系统基础设施及固有特性对城市其他子系统的支撑作用，打造市政交互子平台。利用遍布整个城市的能源基础设施，支撑其他子系统的高效运行。利用能源负荷特性与用户行为之间的关联关系支撑其他子系统的运行，如负荷特性异常突变对城市防灾系统、应急系统定位的协助等。城市区域用能优先保障，当城市各子系统出现故障时，通过对能源系统调度，实现故障区域用能优先保障等。市政交易子平台示意如图4所示。

图 4 市政交易子平台示意

Fig. 4 Schematic diagram of the municipal transaction sub-platform

(4)打造充分激发多方参与，利于催生新业态、新模式的数据开放共享子系统。首先，政府层面通过制定政策机制，激励多方数据开放共享，包括用能数据、交易数据、系统运行数据等。其次，构建相应的数据安全策略、校验策略和风险防范机制，通过数据清洗，逻辑校验等提升数据开放的安全性，提高数据质量[12]。最后，广泛共享，引导、激发各方参与城市智慧能源系统建设热情，催生新业态。面向各级能源系统建设运行机构、产学研机构、第三方服务商、应用开发机构等共享数据，引导各方参与，发挥各方能动性，助推新模式、新理念产生。数据开放共享子系统示意如图5所示。

图 5 数据开放共享子系统示意

Fig. 5 Schematic diagram of the data opening and sharing subsystem

(5)围绕远期形成城市智慧能源应用App操作平台目标，打造满足用户多元化服务需求的应用仓储子平台。按照“应用接入-审核发布-用户加载”的业务链条构建应用仓储，形成城市智慧能源应用生态系统，保障城市智慧能源系统的安全和高效运行[13]。应用仓储子平台示意如图6所示。

图 6 应用仓储子平台示意

Fig. 6 Schematic diagram of the application warehousing sub-platform

2.3 政策机制

城市智慧能源系统作为新兴产业，其发展初期需要创新体制机制，解决产业发展中存在的系列问题，扶持产业快速健康发展。一是制定差异化的财税政策，提高企业参与积极性;二是构建市场进入退出机制，对不同层次的能源互联网参与主体实行差别化准入机制，保证市场活力并确保能源安全;三是构建城市现货、期货等能源市场，建立市场价格形成机制，建立“市场主导、政府指导”价格调节机制。除此之外，需要建立双创、风投及产业基金机制、市政综合管理机制、政产学研金用媒协作机制、数据开放共享机制等。

3 城市智慧能源系统发展路径

城市智慧能源系统的发展大致将经历图7所示的3个阶段。

(1)示范阶段。选取新增园区开展综合示范工程建设。依托园区管委会，引导各方积极参与。以用户痛点问题为出发点，制定综合解决方案，并在此过程中探索切实有效的技术应用方案、管网整合方案、利益分配方案等。

(2)经验推广阶段。总结增量园区建设经验，提炼出面向智慧能源系统的合理规划运行方法、组织管理架构、投融资模式、政策机制等。主动为存量客户推介改造方案，以经济效益吸引客户参与，实现增量带动存量发展。同时，在存量改造过程中不断积累解决存量优化问题的新经验。

(3)优化完善阶段。当园区级智慧能源系统达到一定规模后，建立城市综合能源管理平台，实现城市级管理。根据城市发展定位及特点，确定城市能源变革的分阶段目标，同时对城市能源变革所处进程进行量化评估，准确掌握城市能源变革所处的发展阶段，与分阶段目标进行对比，对于不符合阶段目标定位的城市智慧能源系统进行优化调整。

图 7 城市能源变革整体路径示意

Fig. 7 The overall path of the urban energy revolution

4 结语

城市智慧能源系统是一个复杂的系统，其建设运营需要在充分考虑各能源品种间相互融合的同时，考虑能源系统与城市其他子系统的协调互济，此外，从城市群的角度来看，城市群内各城市间的能源系统也存在紧密关系，如环境治理与生态保护具有联防联治等，因此，城市智慧能源系统规划设计也需要考虑城市间能源的统筹协调。

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